تاریخچه سیمان - سازه برتر



تاریخچه سیمان

 

اگرچه از زمانهای بسیار گذشته اقوام و ملل مختلف به نحوی بااستفاده از سیمان در ساخت بنا سود می‌جستند، ولی اولین بار در سال 1824 ،سیمان پرتلندبه نام "ژوزف آسپدین" که یک معمار انگلیسی بود، ثبت شد.

 

به لحاظ شباهت ظاهری و کیفیت بتن‌های تولید شده از سیمانهای اولیه به سنگهای ناحیه پرتلند در دورست انگلیس ، سیمان به نام سیمان پرتلند معروف شد و تا به امروز برای سیمانهایی که از مخلوط نمودن و حرارت دادن مواد آهکی و رسی و مواد حاوی سیلیس ،آلومینا و اکسید آهن و تولید کلینکر و نهایتا آسیاب نمودن کلینکر بدست می‌آید،استفاده می‌شود

 

کلمه سیمان از یک لغت لاتین به نامسی‌منت ( cement ) گرفته شده است و ماده ایاست که دارای خاصیت چسبانندگی مواد به یکدیگر است و در حقیقت ، واسطه چسباندن است.

 

در صنایع ساختمانی ، سیمان به ماده ای گفته می‌شود که برای چسباندن مصالح مختلف به یکدیگر از قبیل سنگ و شن ، ماسه ، آجر وغیره بکار می‌رود و ترکیبات اصلی این سیمان ازمواد آهکیاست. سیمانهای آهکیمعمولا از ترکیبات سیلیکات و آلومیناتهای آهک تشکیل شده‌اند که هم به‌صورت طبیعی یافت می‌شوند و هم قابل تولید در کارخانجات سیمان‌ سازی هستند.

 

سيمان گردي نرم، جاذب آب و چسباننده خرده سنگ است که اساساً مرکب از ترکيب پخته شده و گداخته شده اکسيد کلسيم با اکسيد سيليکون، اکسيد آلومينيوم و اکسيد آهن مي باشد. ملات اين گرد به مرور در مجاورت هوا يا در زير آب سخت، فشرده مي شود در ضمن ثبات حجم، مقاومت خود را نيز حفظ مي نمايد.

 

 

مواد با منشا آتشفشاني از دير باز جهت ساخت ملات و بتن مورد استفاده قرار مي گرفته است. اين مواد ابتدا در منطقه اي بنام پوزولي واقع در ايتاليا مورد استفاده قرار مي گرفت وبه همين دليل  PULVIS – PUTEOLANUS  ناميده شده است كه بعدا" به پوزولان POZZOLANA  تغيير نام داد. بدليل كاريرد خاص اين سيمانها و بكارگيري هر چه بهتر آنها استانداردهايي در كشورهاي مختلف جهان تدوين گرديده است .

 

ساختار سیمان

اساسا سیمان با آسیاب نمودن مواد خام از قبیل سنگ وآهک و آلومینا و سیلیسی که بهصورت خاک رس و یا سنگهای رسی وجود دارد و مخلوط نمودن آنها با نسبتهای معین و باحرارت دادن در کوره‌های دوار تا حدود 1400درجه سانتی‌گراد بدست می‌آید. در این مرحله ، مواد در کوره تبدیل به گلوله‌های تقریبا سیاه رنگی می‌شوند که کلینکرنامیده می‌شود.

 

کلینکر پس از سرد شدن ، با مقداری سنگ گچ به‌منظور تنظیم گیرش ، مخلوط و آسیاب شده و پودر خاکستری رنگی حاصل می‌شود که همان سیمان پرتلند است. با توجه به نوع و کیفیت مواد خام ، سیمان با دو روش عمده‌تر وخشک تولید می‌شود، ضمن اینکه روشهای دیگری نیز وجود دارد. البته امروزه عمومـا ازروش خشک در تولید سیمان استفاده می‌شود، مگر در مواردی که مواد خام ، روش تر راایجاب کند، زیرا در روش خشک ، انرژی کمتری برای تولید مورد نیاز است.

 

مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت باهم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را بوجود می‌آورند. معمولا چهار ترکیب عمده به‌عنوان عوامل اصلی تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می‌شوند که عبارتنداز:

 

  • سه کلسیم سیلیکات (3O2=C3S)
  • دو کلسیم سیلیکات ( 2CaOSiO2=C2S)
  • سه کلسیم آلومینات (3CaOAl2O3=C3A)
  • چهار کلسیم آلومینو فریت (4CaOAl2O3Fe2O3)


که اختصارا اکسیدهای CaO را با C و SiO2 را با S و Al2O3 را با A و Fe2O3 را با F نشانمی‌دهند. سیلیکاتهای C3S و C2S مهمترین ترکیبات سیمان درایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می‌باشند. در واقع سیلیکاتها در سیمان ، ترکیبات کاملا خالصی نیستند، بلکه دارای اکسیدهای جزئی به‌صورت محلول جامد نیز می‌باشند. این اکسیدها اثرات قابل ملاحظه ای در نحوه قرار گرفتن اتمها، فرم بلوری وخواص هیدرولیکی سیلیکاتها دارند.

 

ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند کهاز نظر وزن قابل ملاحظه نیستند، ولی تأثیرات قابل ملاحظه ای در خواص سیمان دارند که عمدتا عبارتند از: MgO،TiO2،Mn2O3،K2O،NaO2،که اکسیدهایسدیموپتاسیمبهنام اکسیدهای قلیایی شناخته شده‌اند. آزمایشها نشان داده است که این قلیائی‌ها بابعضی از سنگدانه‌ها واکنش نشان داده‌اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است. البته قلیائی‌ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند.

 

وجود سه کلسیم آلو مینات (C3A) در سیمان نقش عمده ای در مقاومت سیمان به جزء در سنین اولیهندارند و در برابر حملات سولفاتها نیز که منجر به سولفوآلومینات کلسیم می‌شود،مشکلاتی به بار می‌آورد، اما وجود آن در مراحل تولید ، ترکیب آهک و سیلیس را تسهیل می‌کند. میزان C4AF در سیمان هم در مقایسه با سه ترکیب دیگر کمتر است وتأثیر زیادی در رفتار سیمان ندارند، ولی در واکنش با گچ ، سولفو فریت کلسیم رامی‌سازد و وجود آن به هیدراسیون سیلیکاتها شتاب می‌بخشد.

 

مقدار و اندازهواقعی اکسیدها در ترکیبات انواع سیمان ، مختلف است. البته باقی مانده نامحلول نیزکه عمدتا از ناخالصی‌ های سنگ گچ حاصل می‌گردد، اندازه گیری می‌شود، تا حدود 1,5درصد وزن در سیمان مجاز است. افت حرارتی نیز که دامنه کربناسیون و هیدراسیون آهکرآزاد ومنیزیم آزاد را در مجاورت هوا نشان می‌دهد، تا حدود 3 الی 4 در صد وزن سیمان اندازه گیری می‌شود.

ماده مورد نظر ما ملات یا خمیر سیمان است که با اختلاط آبو پودر سیمان ماده چسباننده ای می‌شود. در واقع سیلیکاتها و آلومیناتهای سیمان درمجاورت آب محصولی هیدراسیونی را تشکیل می‌دهند که کم‌کم با گذشت زمان ، جسم سختی بوجود می‌آید.

 

دو ترکیب عمده سیلیکاتی سیمان یعنی C3S و C2S عوامل عمده سخت شدن سیمان هستند و عمل هیدراسیون روی C3S سریعتر از C2S انجام می‌گیرد.

 

به لحاظ اهمیت کیفیت سیمان در ساختن بتن ، معمولا تولیدکنندگان ، آزمایشهای متعدد و استاندارد شده ای را برای کنترل کیفیت سیمان انجاممی‌دهند و بعضا نیز مصرف‌کنندگان برای اطمینان خاطر ، خواص سیمان تولید شده را ازکارخانجات درخواست می‌کنند و گاها نیز آزمایشهایی انجام می‌دهند. خواص فیزیکی سیمان عمدتا عبارتست از نرمی سیمان ، گیرش سیمان ، سلامت سیمان و مقاومت سیمان

 

از آنجا که هیدراسیون از سطح ذرات سیمان شروع می‌شود، مساحتتمامی سطح سیمان موجود در هیدراسیون شرکت دارند. بنابراین نرخ هیدراسیون بستگی بهریزی سیمان دارد و مثلا برای کسب مقاومت سریعتر نیز به سیمان نرم تر یا ریزترمی‌باشد. اما باید توجه داشت که همیشه یک سیمان نرم از نظر اقتصادی و فنی مقرون به صرفه است.

POZZOLANA  تغيير نام داد. بدليل كاريرد خاص اين سيمانها و بكارگيري هر چه بهتر آنها استانداردهايي در كشورهاي مختلف جهان تدوين گرديده است .

 

 

ساختار سیمان

اساسا سیمان با آسیاب نمودن مواد خام از قبیل سنگ وآهکو آلومینا و سیلیسی که بهصورت خاک رس و یا سنگهای رسی وجود دارد و مخلوط نمودن آنها با نسبتهای معین و باحرارت دادن در کوره‌های دوار تا حدود 1400درجه سانتی‌گراد بدست می‌آید. در این مرحله ، مواد در کوره تبدیل به گلوله‌های تقریبا سیاه رنگی می‌شوند کهکلینکرنامیده می‌شود.

 

کلینکر پس از سرد شدن ، با مقداری سنگ گچبه‌منظور تنظیم گیرش ، مخلوط و آسیاب شده و پودر خاکستری رنگی حاصل می‌شود که همان سیمان پرتلند است. با توجه به نوع و کیفیت مواد خام ، سیمان با دو روش عمده‌تر وخشک تولید می‌شود، ضمن اینکه روشهای دیگری نیز وجود دارد. البته امروزه عمومـا ازروش خشک در تولید سیمان استفاده می‌شود، مگر در مواردی که مواد خام ، روش تر راایجاب کند، زیرا در روش خشک ، انرژی کمتری برای تولید مورد نیاز است.

 

مواد خام مورد مصرف در تولید سیمان در هنگام پخت باهم واکنش نشان داده و ترکیبات دیگری را بوجود می‌آورند. معمولا چهار ترکیب عمده به‌عنوان عوامل اصلی تشکیل دهنده سیمان در نظر گرفته می‌شوند که عبارتنداز:

  • سه کلسیم سیلیکات (3O2=C3S)
  • دو کلسیم سیلیکات ( 2CaOSiO2=C2S)
  • سه کلسیم آلومینات (3CaOAl2O3=C3A)
  • چهار کلسیم آلومینو فریت (4CaOAl2O3Fe2O3)


کهاختصارا اکسیدهای CaO را با C و SiO2 را با S و Al2O3 را با A و Fe2O3 را با F نشانمی‌دهند. سیلیکاتهای C3S و C2S مهمترین ترکیبات سیمان درایجاد مقاومت خمیر سیمان هیدراته می‌باشند. در واقع سیلیکاتها در سیمان ، ترکیباتکاملا خالصی نیستند، بلکه دارای اکسیدهای جزئی به‌صورت محلول جامد نیز می‌باشند. این اکسیدها اثرات قابل ملاحظه ای در نحوه قرار گرفتن اتمها، فرم بلوری وخواص هیدرولیکی سیلیکاتها دارند.

 

ترکیبات دیگری نیز در سیمان وجود دارند کهاز نظر وزن قابل ملاحظه نیستند، ولی تأثیرات قابل ملاحظه ای در خواص سیمان دارند کهعمدتا عبارتند از: MgO،TiO2،Mn2O3،K2O،NaO2،که اکسیدهایسدیموپتاسیمبهنام اکسیدهای قلیایی شناخته شده‌اند. آزمایشها نشان داده است که این قلیائی‌ها بابعضی از سنگدانه‌ها واکنش نشان داده‌اند و حاصل این واکنش باعث تخریب بتن شده است. البته قلیائی‌ها در مقاومت بتن نیز اثر دارند.

 

وجود سه کلسیم آلو مینات (C3A) در سیمان نقش عمده ای در مقاومت سیمان به جزء در سنین اولیهندارند و در برابر حملات سولفاتها نیز که منجر به سولفوآلومینات کلسیم می‌شود،مشکلاتی به بار می‌آورد، اما وجود آن در مراحل تولید ، ترکیب آهک و سیلیس را تسهیلمی‌کند. میزان C4AF در سیمان هم در مقایسه با سه ترکیب دیگر کمتر است وتأثیر زیادی در رفتار سیمان ندارند، ولی در واکنش با گچ ، سولفو فریت کلسیم رامی‌سازد و وجود آن به هیدراسیون سیلیکاتها شتاب می‌بخشد.

 

مقدار و اندازهواقعی اکسیدها در ترکیبات انواع سیمان ، مختلف است. البته باقی مانده نامحلول نیزکه عمدتا از ناخالصی‌های سنگ گچ حاصل می‌گردد، اندازه گیری می‌شود، تا حدود 1,5درصد وزن در سیمان مجاز است. افت حرارتی نیز که دامنه کربناسیون و هیدراسیون آهکآزاد ومنیزیمآزاد را در مجاورت هوا نشان می‌دهد، تا حدود 3 الی 4 در صد وزن سیمان اندازه گیریمی‌شود.

 

ماده مورد نظر ما ملات یا خمیر سیمان است که با اختلاط آبو پودر سیمان ماده چسباننده ای می‌شود. در واقع سیلیکاتها و آلومیناتهای سیمان درمجاورت آب محصولی هیدراسیونی را تشکیل می‌دهند که کم‌کم با گذشت زمان ، جسم سختی بوجود می‌آید.

 

دو ترکیب عمده سیلیکاتی سیمان یعنی C3S و C2S عوامل عمده سخت شدن سیمان هستند و عمل هیدراسیون روی C3S سریعتر از C2S انجام می‌گیرد.

 

به لحاظ اهمیت کیفیت سیمان در ساختن بتن ، معمولا تولیدکنندگان ، آزمایشهای متعدد و استاندارد شده ای را برای کنترل کیفیت سیمان انجاممی‌دهند و بعضا نیز مصرف‌کنندگان برای اطمینان خاطر ، خواص سیمان تولید شده را ازکارخانجات درخواست می‌کنند و گاها نیز آزمایشهایی انجام می‌دهند. خواص فیزیکی سیمانعمدتا عبارتست از نرمی سیمان ، گیرش سیمان ، سلامت سیمان و مقاومت سیمان

 

از آنجا که هیدراسیون از سطح ذرات سیمان شروع می‌شود، مساحتتمامی سطح سیمان موجود در هیدراسیون شرکت دارند. بنابراین نرخ هیدراسیون بستگی بهریزی سیمان دارد و مثلا برای کسب مقاومت سریعتر نیز به سیمان نرم تر یا ریزترمی‌باشد. اما باید توجه داشت که همیشه یک سیمان نرم از نظر اقتصادی و فنی مقرون به است.